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Alkalische Brennstoffzelle
Die Alkalische Brennstoffzelle (engl. Alkaline Fuel Cell, AFC) ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle mit einer konzentrierten wässrigen Lauge als …
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Überblick und Bedeutung
Die Alkalische Brennstoffzelle (englisch: Alkaline Fuel Cell, AFC) ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle. Sie wandelt die chemische Energie eines Energielieferanten in elektrische Energie um. Als Elektrolyt, also als ionenleitende Flüssigkeit zwischen den Elektroden, verwendet sie eine konzentrierte wässrige Lauge. Meist dient Wasserstoff als Brennstoff; auch Ammoniak oder Hydrazin können verwendet werden.
AFCs waren ein wichtiger Schritt für die Entwicklung der Brennstoffzellentechnik. Besonders bedeutsam waren sie in der Raumfahrt, vor allem im Apollo-Programm und im Space Shuttle. Heute haben sie gegenüber der Polymerelektrolytzelle (PEMFC) nur noch geringe Bedeutung; nur wenige Firmen entwickeln sie weiter, darunter AFC Energy aus Surrey in England.
Aufbau und Funktionsprinzip
Als Elektrolyt wird in der Regel eine wässrige Kaliumhydroxid-Lösung verwendet. Weil diese Lauge stark alkalisch ist, also einen hohen pH-Wert besitzt, heißt der Zelltyp alkalische Brennstoffzelle.
Wasserstoff wird der Anode zugeführt und dort oxidiert, das heißt: Er gibt Elektronen ab. An der Kathode wird Sauerstoff reduziert, also unter Elektronenaufnahme umgesetzt; dabei entstehen Hydroxidionen OH⁻. Diese Ionen wandern durch den Elektrolyten zur Anode und reagieren dort mit dem Wasserstoff zu Wasser. Das Wasser muss ständig abgeführt werden. Der innere Ladungstransport erfolgt somit durch Hydroxidionen.
Die Arbeitstemperatur liegt normalerweise bei 60–120 °C. Bei den Apollo-Zellen betrug sie 200–230 °C. Der Elektrolyt kann zugleich die Temperatur des Stacks, also der Zusammenschaltung mehrerer Zellen, regeln. Daher ist kein zusätzlicher Kühlkreislauf erforderlich.
Die der Kathode zugeführte Luft sollte frei von CO₂ sein. CO₂ kann mit Kaliumhydroxid reagieren: CO₂ + 2 KOH → K₂CO₃↓ + H₂O. Dabei fällt festes Kaliumcarbonat aus, das beispielsweise poröse Elektroden verstopfen und damit die Leistung vermindern kann. Laut einer Studie gilt dies jedoch nicht für alle Zelltypen: Im untersuchten Fall war die Alterung unabhängig vom CO₂-Gehalt des verwendeten Sauerstoffs.
Reaktionen in der Zelle
Anode: 2 H₂ + 4 OH⁻ → 4 H₂O + 4 e⁻. Dies ist die Oxidation beziehungsweise Elektronenabgabe.
Kathode: O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻. Dies ist die Reduktion beziehungsweise Elektronenaufnahme.
Gesamtreaktion: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Sie ist die Redoxreaktion beziehungsweise Zellreaktion. Auf der Kathodenseite wird nur reiner Sauerstoff benötigt; Wasser entsteht auf der Anodenseite, an der nur reiner Wasserstoff benötigt wird.
Entwicklung und Anwendungen
Die Erfindung alkalischer Brennstoffzellen wird aufgrund entsprechender Patente einem amerikanischen und einem französischen Erfinder zugeschrieben. Als wichtiger Pionier gilt der englische Ingenieur Francis Thomas Bacon (1904–1992), der die Brennstoffzelle in England zur Anwendungsreife brachte. Amerikanische Unternehmen wie Allis-Chalmers und Pratt & Whitney entwickelten die AFC weiter; in Deutschland arbeitete unter anderem Eduard Justi an diesem Zelltyp.
Die Anwendungsreife wurde zunächst etwa mit dem Allis-Chalmers-Brennstoffzellentraktor gezeigt. In Apollo-Raumschiffen lieferten AFCs von Pratt & Whitney bei 28 V eine Nennleistung von 1,12 kW und maximal 2,3 kW; sie nahmen an neun Mondflügen teil. Auch Skylab, das Raumschiff LOK und das Space Shuttle verwendeten AFCs. Siemens installierte sie in U-Booten, wechselte später aber zur PEMFC.
1998 fuhr in London ein Prototyp eines Taxis mit alkalischer Brennstoffzelle. Ein Lieferwagen wurde ebenfalls damit ausgestattet. Die AFC trieb auch den Elektromotor des Passagierboots Hydra an, das von 2000 bis 2001 in Dienst war. Diese Entwicklungen mussten 2002 aus Geldmangel beendet werden.
Vor- und Nachteile
Im Vergleich zur PEMFC besitzt die AFC eine geringere Leistungsdichte, also weniger Leistung bezogen auf eine bestimmte Größe oder Fläche. Wegen ihrer höheren Zellenspannung hat sie jedoch einen etwas besseren Wirkungsgrad. Hohe Stromdichten wie bei einer PEMFC erreicht sie zurzeit nicht.
Zu ihren Vorteilen zählen ein robustes System, gutes dynamisches Verhalten, preiswerte Katalysatoren wie Nickel und Silber sowie eine Toleranz gegenüber Spuren von Ammoniak. Nachteile sind eine mögliche Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen, insbesondere CO₂, sowie eine niedrige Lebensdauer durch den korrosiven Elektrolyten. Die CO₂-Empfindlichkeit wird dabei nicht für alle Zelltypen bestätigt.
Weiterentwicklungspotenzial besteht besonders bei Materialien für Membranen und Elektroden. Elektroden mit Goldkatalysator erwiesen sich als besonders wirkungsvoll.
